JP5595444B2 - DC-AC converter - Google Patents
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Description
本発明は、コンバーターに関し、さらに詳しくはDC-ACコンバーターに関する。 The present invention relates to a converter, and more particularly to a DC-AC converter.
近年、人類の主要なエネルギー源は、石油から来ている。車を動かしたり、火力発電所を動かすのに必要な電力又は電気は、石油を燃やすことによって得られる。しかしながら、石油の燃焼によて生成される熱及び排ガスは、大気汚染を引き起こすだけでなく、地球温暖化効果を悪化させ得る。さらに、石油の産出量は、10年以内にピークに達し、その後は年々減少する。このことは、石油の価格(電気料金を含む)がもはや安価なものではないことを意味する。従って、結局は、エネルギー危機が訪れ、世界経済に打撃を与える。 In recent years, the main energy source of mankind has come from oil. The power or electricity required to move a car or power a thermal power plant is obtained by burning oil. However, the heat and exhaust gas generated by the burning of petroleum not only cause air pollution, but can worsen the global warming effect. In addition, oil production peaks within 10 years and then decreases year after year. This means that the price of oil (including electricity charges) is no longer cheap. Eventually, the energy crisis comes and will hit the world economy.
上記の世界経済への打撃を鑑みて、再生可能エネルギーによって、効率的かつ経済的に、家庭又は事業所に、電気又は動力を供給することが探求されてきた。これまでに、再生可能エネルギーの発展は、先進国では、発電と環境保護を両立させるwin-win政策として重要なエネルギー政策となった。種々の再生可能エネルギー(太陽光エネルギー、風力エネルギー、潮力エネルギー、地熱エネルギー、生物廃棄物エネルギー)のうち、太陽光エネルギーが主流となった。なぜなら、太陽光エネルギー発電器は、環境への優しさ、設置の容易さ、商業化の成熟さ、及び国家による圧倒的な後押しという利点があるからである。従って、太陽光エネルギーは、先進国では、分散型電力供給システムを構築するに当たって主な選択肢となった。 In view of the above blow to the global economy, it has been sought to supply electricity or power to homes or offices efficiently and economically with renewable energy. So far, the development of renewable energy has become an important energy policy in developed countries as a win-win policy that balances power generation and environmental protection. Of various renewable energies (solar energy, wind energy, tidal energy, geothermal energy, biowaste energy), solar energy has become the mainstream. This is because solar energy generators have the advantages of environmental friendliness, ease of installation, maturity of commercialization, and overwhelming boost by the state. Therefore, solar energy has become a major option in developing distributed power supply systems in developed countries.
図1は、従来技術によるDC-ACコンバーターの回路を示す。図1に示すように、DC-ACコンバーター1は、ソーラーグリッドに接続された太陽光発電システムで使用され、従って、DC-ACコンバーター1は、太陽光発電インバーター又はPVインバーターとしても知られている。DC-ACコンバーター1は、非絶縁及びフルブリッジトポロジーで構成され、入力フィルター10、フルブリッジスイッチ回路11、及び出力フィルター12を含む。入力フィルター10は、第1コンデンサC1で構成され、太陽電池によって生成されたDC入力電圧VDCを受け取り、DC入力電圧VDCをフィルタリングする。フルブリッジスイッチ回路11は、出力フィルター12に接続され、スイッチ素子S1-S4で構成される、第1スイッチ素子S1は、第2スイッチ素子S2と直列接続され、第3スイッチ素子S3は、第4スイッチ素子S4と直列接続され、2つのブリッジアームを有するフルブリッジ回路を形成する。スイッチ素子S1-S4は、制御ユニット(図示せず)によってオン・オフ制御され、これによってフルブリッジスイッチ回路11がフィルタリングされたDC入力電圧VDCをAC変調電圧VTへ変換することを可能にする。出力フィルター12は、フルブリッジスイッチ回路11に接続され、第1インダクタL1、第2インダクタL2、及び第2フィルタリングコンデンサC2で構成される。出力フィルター12は、AC変調電圧VTの高周波成分を除去し、グリッドGへAC出力電圧Voを出力するために使用される。 FIG. 1 shows a circuit of a conventional DC-AC converter. As shown in FIG. 1, a DC-AC converter 1 is used in a photovoltaic system connected to a solar grid, and thus the DC-AC converter 1 is also known as a photovoltaic inverter or a PV inverter. . The DC-AC converter 1 is configured in a non-isolated and full-bridge topology, and includes an input filter 10, a full-bridge switch circuit 11, and an output filter 12. Input filter 10 is composed of a first capacitor C 1, it receives a DC input voltage V DC generated by solar cells, filtering the DC input voltage V DC. The full bridge switch circuit 11 is connected to the output filter 12 and is composed of switch elements S 1 -S 4. The first switch element S 1 is connected in series with the second switch element S 2, and the third switch element S 3, 4 are connected switching element S 4 in series, to form a full bridge circuit with two bridge arms. The switch elements S 1 -S 4 are controlled to be turned on / off by a control unit (not shown), so that the full bridge switch circuit 11 converts the filtered DC input voltage V DC into the AC modulation voltage V T. to enable. The output filter 12 is connected to the full bridge switch circuit 11 and includes a first inductor L 1 , a second inductor L 2 , and a second filtering capacitor C 2 . The output filter 12 removes a high frequency component of the AC modulation voltage V T, is used to output an AC output voltage V o to the grid G.
一般に、フルブリッジスイッチ回路11のスイッチ素子S1-S4は、パルス幅変調(PWM)で動作するように構成されている。より正確には、フルブリッジスイッチ回路11のスイッチ素子S1-S4は、スイッチ素子S1-S4の動作モードに従ってバイポーラースイッチングモード又はユニポーラースイッチングモード下で動作可能である。図2及び3を参照すると、図2は、バイポーラースイッチングモード下で動作している図1のフルブリッジスイッチ回路の変調電圧の波形図であり、図3は、ユニポーラースイッチングモード下で動作している図1のフルブリッジスイッチ回路の変調電圧の波形図である。図1〜3に示すように、スイッチ素子S1〜S4は、バイポーラースイッチングモード下で高周波で動作するように構成されている。この条件下では、フルブリッジスイッチ回路11によって出力されたAC変調電圧VTは、図2に示すように、正の半サイクル又は負の半サイクルの間に、正のDC入力電圧VDCと負のDC入力電圧-VDCの間で変動する。ユニポーラースイッチングモード下では、スイッチ回路の一つだけのブリッジアームが高周波で動作し、スイッチ回路の他のブリッジアームは、各半サイクルの間にオフになっている。つまり、このブリッジアームは、第1スイッチ素子S1及び第2スイッチ素子S2で構成され、他のブリッジアームは、第3スイッチ素子S3及び第4スイッチ素子S4で構成され、これらは、交互にオン・オフされ、これによって、図3に示すようにフルブリッジスイッチ回路11によって出力されたAC変調電圧VTが正の半サイクルの間に0と正のDC入力電圧VDCの間で変動し、負の半サイクルの間に0と負のDC電圧-VDCの間で変動することを可能にする。 In general, the switch elements S 1 to S 4 of the full bridge switch circuit 11 are configured to operate by pulse width modulation (PWM). More precisely, the switch elements S 1 -S 4 of the full-bridge switch circuit 11 can operate under a bipolar switching mode or a unipolar switching mode according to the operation mode of the switch elements S 1 -S 4 . Referring to FIGS. 2 and 3, FIG. 2 is a waveform diagram of the modulation voltage of the full-bridge switch circuit of FIG. 1 operating under bipolar switching mode, and FIG. 3 operates under unipolar switching mode. FIG. 2 is a waveform diagram of a modulation voltage of the full bridge switch circuit of FIG. As shown in FIGS. 1 to 3, the switch elements S 1 to S 4 are configured to operate at a high frequency under a bipolar switching mode. Under these conditions, AC modulation voltage V T output by the full bridge switching circuit 11, as shown in FIG. 2, during the positive half cycle or negative half cycle, the positive DC input voltage V DC and the negative Fluctuates between DC input voltage -V DC . Under unipolar switching mode, only one bridge arm of the switch circuit operates at high frequency and the other bridge arm of the switch circuit is off during each half cycle. That is, this bridge arm is composed of the first switch element S 1 and the second switch element S 2 , and the other bridge arm is composed of the third switch element S 3 and the fourth switch element S 4 , alternately turned on and off, whereby, between 0 and a positive DC input voltage V DC between AC modulation voltage V T output by the full bridge switching circuit 11 as shown in FIG. 3 is a positive half-cycle Fluctuates and allows to vary between 0 and negative DC voltage -V DC during the negative half cycle.
フルブリッジスイッチ回路11がユニポーラースイッチングモード下で動作しているとき、2つのスイッチ素子で構成される一つだけのブリッジアームが高周波スイッチング動作を行うように構成されている(一方、バイポーラースイッチングモード下では、スイッチ素子S1-S4で構成される2つのブリッジアームが高周波スイッチング動作を行う。)。このとき、AC変調電圧VTは、0と正のDC入力電圧VDCの間で変動するか又は0と負のDC入力電圧-VDCの間で変動する。従って、ユニポーラースイッチングモード下で動作しているフルブリッジスイッチ回路11のスイッチング損失は、バイポーラースイッチングモード下で動作しているフルブリッジスイッチ回路11のスイッチング損失より小さい。言い換えると、フルブリッジスイッチ回路11は、ユニポーラースイッチングモード下では、より良い変換効率を有する。しかしながら、図1に示すように、DC入力電圧VDCを生成する太陽電池と接地端子の間に寄生容量Cpが存在しているので、フルブリッジスイッチ回路11がユニポーラースイッチングモード下で動作するとき、変調電圧VTは、高周波成分を有する。従って、第1出力端子A'とDC-ACコンバーター1内の何れかのノードの間の相対電圧(例:第1出力端子A'と共通ノードN'(寄生容量Cpにつながるノード)の間の相対電圧)と第2出力端子B'と共通ノードN'の間の相対電圧の相加平均値が、スイッチングの何れの時点においても、一定値に維持されるように設定することはできない。これによって、寄生容量Cpを横切って大きな電圧変化が発生し、ユーザー及び装置を危険にさらす。フルブリッジスイッチ回路11がバイポーラースイッチングモードで動作している場合、漏れ電流は、回避可能である。 When the full-bridge switch circuit 11 is operating in the unipolar switching mode, only one bridge arm composed of two switch elements is configured to perform a high-frequency switching operation (on the other hand, bipolar switching) Under mode, the two bridge arms composed of the switch elements S 1 -S 4 perform high frequency switching operation.) At this time, the AC modulation voltage V T varies between 0 and the positive DC input voltage V DC , or varies between 0 and the negative DC input voltage −V DC . Accordingly, the switching loss of the full bridge switch circuit 11 operating under the unipolar switching mode is smaller than the switching loss of the full bridge switch circuit 11 operating under the bipolar switching mode. In other words, the full bridge switch circuit 11 has better conversion efficiency under the unipolar switching mode. However, as shown in FIG. 1, since the parasitic capacitance C p exists between the solar cell that generates the DC input voltage V DC and the ground terminal, the full bridge switch circuit 11 operates under the unipolar switching mode. When the modulation voltage VT has a high frequency component. Therefore, the relative voltage between the first output terminal A ′ and any node in the DC-AC converter 1 (eg, between the first output terminal A ′ and the common node N ′ (the node connected to the parasitic capacitance C p )). Of the relative voltage between the second output terminal B ′ and the common node N ′ cannot be set to be maintained at a constant value at any time of switching. Thus, a large voltage variation occurs across the parasitic capacitance C p, endangering users and devices. When the full bridge switch circuit 11 is operating in the bipolar switching mode, the leakage current can be avoided.
従って、出願人は、より良い変換効率及びより低い漏れ電流を有するDC-ACコンバーターの開発を試みた。 Accordingly, Applicants have attempted to develop a DC-AC converter with better conversion efficiency and lower leakage current.
本発明の目的は、従来のDC-ACコンバーターがソーラーグリッドに接続された太陽光発電システムに適用されるときの、低変換効率及び高い漏れ電流という問題に対処するDC-ACコンバーターを提供することである。 An object of the present invention is to provide a DC-AC converter that addresses the problems of low conversion efficiency and high leakage current when the conventional DC-AC converter is applied to a solar power generation system connected to a solar grid. It is.
この目的のために、本発明は、DC電力を受け取り、このDC電力をAC変調電圧へ変換して第1出力端子と第2出力端子の間に出力するように構成されているスイッチ回路を含むDC-ACコンバーターを提供する。このスイッチ回路は、互いに直列に接続された第1スイッチ素子及び第2スイッチ素子を含む第1スイッチブランチと、第1スイッチブランチと並列に接続され、且つ互いに直列に接続された第3スイッチ素子、第4スイッチ素子、及び第5スイッチ素子を含む第2スイッチブランチとを含み、第1スイッチ素子及び第2スイッチ素子は、第1出力端子に接続され、第4スイッチ素子及び第5スイッチ素子は、第2出力端子に接続される。本発明のDC-ACコンバーターは、一端が第3スイッチ素子と第4スイッチ素子の間に接続され、他端が第1スイッチ素子と第2スイッチ素子の間に接続され且つ第1出力端子に接続された第6スイッチ素子をさらに含む。第1スイッチ素子及び第5スイッチ素子は、同時かつ連続的にオン・オフされ、第6スイッチ素子は、正の半サイクルの間にオンになり、第2スイッチ素子及び第3スイッチ素子は、同時かつ連続的にオン・オフされ、第4スイッチ素子は、負の半サイクルの間にオンになる。 To this end, the present invention includes a switch circuit configured to receive DC power, convert the DC power to an AC modulated voltage, and output between the first output terminal and the second output terminal. Provide DC-AC converter. The switch circuit includes a first switch branch including a first switch element and a second switch element connected in series with each other; a third switch element connected in parallel with the first switch branch and connected in series with each other; A second switch branch including a fourth switch element and a fifth switch element, wherein the first switch element and the second switch element are connected to the first output terminal, and the fourth switch element and the fifth switch element are Connected to the second output terminal. The DC-AC converter of the present invention has one end connected between the third switch element and the fourth switch element, and the other end connected between the first switch element and the second switch element and connected to the first output terminal. The sixth switch element is further included. The first switch element and the fifth switch element are turned on and off simultaneously and continuously, the sixth switch element is turned on during the positive half cycle, and the second switch element and the third switch element are turned on simultaneously. And it is continuously turned on and off, and the fourth switch element is turned on during the negative half cycle.
本発明の上記及び他の特徴及び利点は、次の詳細な説明及び添付図面を通じて、よりよく理解されるであろう。 The above and other features and advantages of the present invention will be better understood through the following detailed description and accompanying drawings.
本発明の特徴及び利点を具現化するいくつかの例示的実施形態を次の説明のパラグラフで説明する。本発明は、種々の点で種々の変更を許容するものであり、それらは全て本発明の範囲から逸脱するものではない。ここでの説明及び図面は、例示的なものであり、本発明の限定するものと解釈すべきではない。 Several exemplary embodiments embodying features and advantages of the invention are described in the following description paragraph. The present invention allows various modifications in various respects, and all do not depart from the scope of the present invention. The description and drawings herein are exemplary and should not be construed as limiting the invention.
図4に、本発明の一実施形態によるDC-ACコンバーターの回路を示す。図4に示すように、DC-ACコンバーター4は、ソーラーグリッドに接続された太陽光発電システムへ適用してもよく、非絶縁回路である。DC-ACコンバーター4は、DCデバイス8(例:太陽電池)からDC入力電圧VDCを受け取り、DC入力電圧VDCをAC出力電圧Voへ変換するために使用される。AC出力電圧Voは、AC負荷9(例:AC電気器具又はACネットワークシステム)へ供給される。 FIG. 4 shows a circuit of a DC-AC converter according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the DC-AC converter 4 may be applied to a solar power generation system connected to a solar grid, and is a non-insulated circuit. DC-AC converter 4, DC device 8: receives DC input voltage V DC from (eg solar cell), is used to convert the DC input voltage V DC to the AC output voltage V o. The AC output voltage V o is supplied to an AC load 9 (eg, AC appliance or AC network system).
DC-ACコンバーター4は、入力フィルター40、スイッチ回路41、出力フィルター42、及び制御ユニット43を含む。入力フィルター40は、DCデバイス8の正極及び負極のそれぞれに接続され、DC入力電圧VDCを受け取り、DC入力電圧VDCをフィルタリングする。この実施形態では、入力フィルター40は、第1コンデンサC1を含んでもよい。 The DC-AC converter 4 includes an input filter 40, a switch circuit 41, an output filter 42, and a control unit 43. Input filter 40 is connected to each of the positive electrode and the negative electrode of the DC device 8 receives a DC input voltage V DC, filters the DC input voltage V DC. In this embodiment, the input filter 40, first may include a capacitor C 1.
スイッチ回路41は、入力フィルター40に接続され、スイッチ素子S1-S6を含む。スイッチ回路41は、フィルタリングされたDC入力電圧VDCをスイッチ素子S1-S6のスイッチング動作によって変換し、これによって第1出力端子Aと第2出力端子Bの間にAC変調電圧VTを出力するために使用される。 Switch circuit 41 is connected to input filter 40 and includes switch elements S 1 -S 6 . The switch circuit 41 converts the filtered DC input voltage V DC by the switching operation of the switch elements S 1 to S 6 , and thereby converts the AC modulation voltage V T between the first output terminal A and the second output terminal B. Used for output.
この実施形態では、第1スイッチ素子S1及び第2スイッチ素子S2は、互いに直列に接続され、第1スイッチブランチ411を形成する。第1スイッチ素子S1の一端は、DCデバイス8の正極及び入力フィルター40の正極に接続されている。第2スイッチ素子S2の一端は、DCデバイス8の負極及び入力フィルター40の負極に接続されている。第3スイッチ素子S3、第4スイッチ素子S4、及び第5スイッチ素子S5は、互いに直列に接続され、第1スイッチブランチ411と並列に接続される第2スイッチブランチ412を形成する。第3スイッチ素子S3の一端は、DCデバイス8の正極及び入力フィルター40の正極に接続されている。第5スイッチ素子S5の一端は、DCデバイス8の負極及び入力フィルター40の負極に接続されている。第6スイッチ素子S6の一端は、第2スイッチブランチ412の第3スイッチ素子S3と第4スイッチ素子S4の間に接続され、第6スイッチ素子S6の他端は、第1出力端子Aで第1スイッチブランチ411の第1スイッチ素子S1と第2スイッチ素子S2の間に接続される。 In this embodiment, the first switch element S 1 and the second switch element S 2 are connected in series with each other to form a first switch branch 411. One end of the first switch element S 1 is connected to the positive electrode of the DC device 8 and the positive electrode of the input filter 40. One end of the second switch element S 2 is connected to the negative electrode of the DC device 8 and the negative electrode of the input filter 40. The third switch element S 3 , the fourth switch element S 4 , and the fifth switch element S 5 are connected in series with each other to form a second switch branch 412 connected in parallel with the first switch branch 411. One end of the third switch element S 3 is connected to the positive electrode of the DC device 8 and the positive electrode of the input filter 40. One end of the fifth switching element S 5 is connected to the negative electrode and the negative electrode of the input filter 40 of the DC device 8. One end of the sixth switch element S 6 is connected between the third switch element S 3 and the fourth switch element S 4 of the second switch branch 412, and the other end of the sixth switch element S 6 is the first output terminal. A is connected between the first switch element S 1 and the second switch element S 2 of the first switch branch 411.
この実施形態では、スイッチ素子S1-S6は、図4に示すように、ボディダイオードD1-D6を有するMOSFETで構成される。第1ボディダイオードD1及び第2ボディダイオードD2の導通方向は、第2スイッチ素子S2から第1スイッチ素子S1への方向である。第3ボディダイオードD3、第4ボディダイオードD4、及び第5ダイオードD5の導通方向は、第5スイッチ素子S5から第3スイッチ素子S 3 への方向である。第6ボディダイオードD6の導通方向は、第1スイッチブランチ411から第2スイッチブランチ412への方向である。 In this embodiment, the switch elements S 1 -S 6 are constituted by MOSFETs having body diodes D 1 -D 6 as shown in FIG. The first body diode D 1 and a second conduction direction of the body diode D 2 is the direction from the second switching element S 2 to the first switching element S 1. The conduction direction of the third body diode D 3 , the fourth body diode D 4 , and the fifth diode D 5 is the direction from the fifth switch element S 5 to the third switch element S 3 . The conduction direction of the sixth body diode D 6 is the direction from the first switch branch 411 to the second switch branch 412.
制御ユニット43は、スイッチ素子S1-S6の制御端子に接続される。制御ユニット43は、PWMベースの制御信号Vc1-Vc6を生成し、スイッチ素子S1-S6のオン・オフを制御するために使用される。 The control unit 43 is connected to the control terminals of the switch elements S 1 -S 6 . The control unit 43 generates a PWM-based control signal V c1 -V c6 and is used to control on / off of the switch elements S 1 -S 6 .
出力フィルター42は、スイッチ回路41の第1出力端子A及び第2出力端子Bに接続されている。また、出力フィルター42は、負荷9に接続され、AC変調電圧VTを受け取って、AC変調電圧VTの高周波成分を除去し、これによってAC負荷9へAC出力電圧Voを出力する。この実施形態では、出力フィルター42は、第1インダクタL1、第2インダクタL2、及び第2キャパシタC2を含む。第1インダクタL1の一端は、第1出力端子Aに接続されている。第2インダクタL2の一端は、第2出力端子Bに接続されている。第2キャパシタC2は、第1インダクタL1、第2インダクタL2、及びAC負荷9に接続されている。 The output filter 42 is connected to the first output terminal A and the second output terminal B of the switch circuit 41. Further, the output filter 42 is connected to a load 9, receives the AC modulation voltage V T, removes high-frequency components of the AC modulation voltage V T, thereby outputting an AC output voltage V o to the AC load 9. In this embodiment, the output filter 42 includes a first inductor L 1 , a second inductor L 2 , and a second capacitor C 2 . One end of the first inductor L 1 is connected to the first output terminal A. One end of the second inductor L 2 is connected to the second output terminal B. The second capacitor C 2 is connected to the first inductor L 1 , the second inductor L 2 , and the AC load 9.
次に、本発明のDC-ACコンバーター4の動作を説明する。図5A及び5B及び図4を参照すると、図5Aは、図4の回路内で使用される制御信号の波形図を示し、図5Bは、図4の回路内で使用されるAC変調電圧の波形図を示す。図4、5A及び5Bに示すように、正の半サイクルの間に(例:点0と第1点T1の間に)、第1制御信号Vc1と第5制御信号Vc5は、PWMで変動する。つまり、第1制御信号Vc1及び第5制御信号Vc5は、無効状態(disabled state)と有効状態(enabled state)が交互に入れ替わる。従って、第1スイッチ素子S1及び第5スイッチ素子S5は、同時かつ連続的にオン・オフされる。さらに、第2制御信号Vc2、第3制御信号Vc3、及び第4制御信号Vc4は、無効状態のままである。従って、第2スイッチ素子S2、第3スイッチ素子S3、及び第4スイッチ素子S4は、オフになっている。さらに、第6制御信号Vc6は、有効状態のままであり、従って、第6スイッチ素子S6がオンになる。 Next, the operation of the DC-AC converter 4 of the present invention will be described. Referring to FIGS. 5A and 5B and FIG. 4, FIG. 5A shows a waveform diagram of a control signal used in the circuit of FIG. 4, and FIG. 5B shows a waveform of an AC modulation voltage used in the circuit of FIG. The figure is shown. As shown in FIGS. 4, 5A and 5B, during the positive half cycle (eg, between point 0 and the first point T 1 ), the first control signal V c1 and the fifth control signal V c5 are PWM It fluctuates with. That is, the first control signal V c1 and the fifth control signal V c5 are alternately switched between a disabled state and an enabled state. Thus, the first switching element S 1 and the fifth switching element S 5 is simultaneously and continuously on and off. Further, the second control signal V c2 , the third control signal V c3 , and the fourth control signal V c4 remain in an invalid state. Accordingly, the second switch element S 2 , the third switch element S 3 , and the fourth switch element S 4 are turned off. Further, the sixth control signal V c6 remains in the valid state, and therefore the sixth switch element S 6 is turned on.
従って、第1スイッチ素子S1及び第5スイッチ素子S5の両方が正の半サイクルの間にオンになると、DCデバイス8によって出力された電流は、第1スイッチ素子S1、第1インダクタL1、第2キャパシタC2、第2インダクタL2、及び第5スイッチ素子S5を通じてこの順に流れる。従ってDCデバイス8によって出力されたDC電力は、フィルタリングされてAC電力へ変換され、AC負荷9へ供給される。一方、第1インダクタL1及び第2インダクタL2は、エネルギーを蓄積する。第1スイッチ素子S1及び第5スイッチ素子S5の両方が正の半サイクルの間にオフになると、第1インダクタL1及び第2インダクタL2に蓄積されたエネルギーは、オフになっている第4スイッチ素子S4の第4ボディダイオードD4及びオンになっている第6スイッチ素子S6を通じて流れる。従って、AC負荷9は、DCデバイス8によって出力されたエネルギーを連続的に受け取る。 Therefore, when both the first switch element S 1 and the fifth switch element S 5 are turned on during the positive half cycle, the current output by the DC device 8 is the first switch element S 1 and the first inductor L. 1 flows in this order through the second capacitor C 2 , the second inductor L 2 , and the fifth switch element S 5 . Therefore, the DC power output by the DC device 8 is filtered and converted to AC power, and supplied to the AC load 9. On the other hand, the first inductor L 1 and the second inductor L 2 store energy. When both the first switch element S 1 and the fifth switch element S 5 are turned off during the positive half cycle, the energy stored in the first inductor L 1 and the second inductor L 2 is turned off. 4 flows through the sixth switching element S 6 that is a fourth body diode D 4 and on the switching element S 4. Accordingly, the AC load 9 continuously receives the energy output by the DC device 8.
負の半サイクルの間に(例:第1点T1と第2点T2の間に)、第2制御信号Vc2及び第3制御信号Vc3は、PWMで変動する。つまり、第2制御信号Vc2及び第3制御信号Vc3は、無効状態と有効状態が交互に入れ替わる。従って、第2スイッチ素子S2及び第3スイッチ素子S3は、同時かつ連続的にオン・オフされる。さらに、第1制御信号Vc1、第5制御信号Vc5、及び第6制御信号Vc6は、無効状態へ遷移する。従って、第1スイッチ素子S1、第5スイッチ素子S5、及び第6スイッチ素子S6は、オフになる。さらに、第4制御信号Vc4が有効状態へ遷移する。従って、第4スイッチ素子S4がオンになる。 During the negative half cycle (eg, between the first point T 1 and the second point T 2 ), the second control signal V c2 and the third control signal V c3 fluctuate with PWM. That is, the second control signal V c2 and the third control signal V c3 are alternately switched between the invalid state and the valid state. Accordingly, the second switching element S 2 and the third switch element S 3 are simultaneously and continuously on and off. Furthermore, the first control signal V c1 , the fifth control signal V c5 , and the sixth control signal V c6 transition to an invalid state. Accordingly, the first switch element S 1 , the fifth switch element S 5 , and the sixth switch element S 6 are turned off. Furthermore, the fourth control signal V c4 transitions to the valid state. Accordingly, the fourth switching element S 4 is turned on.
従って、第2スイッチ素子S2及び第3スイッチ素子S3の両方が負の半サイクルの間にオンになると、DCデバイス8によって出力された電流は、第3スイッチ素子S3、第4スイッチ素子S4、第2インダクタL2、第2キャパシタC2、第1インダクタL1、及び第2スイッチ素子S2を通じてこの順に流れる。従って、DCデバイス8によって出力されたDC電力は、フィルタリングされてAC電力へ変換され、AC負荷9へ供給される。一方、第1インダクタL1及び第2インダクタL2は、エネルギーを蓄積する。第2スイッチ素子S2及び第3スイッチ素子S3の両方が負の半サイクルの間にオフになると、第1インダクタL1及び第2インダクタL2に蓄積されたエネルギーは、オフになっている第6スイッチ素子S6の第6ボディダイオードD6及びオンになっている第4スイッチ素子S4を通じて流れる。従って、AC負荷9は、DCデバイス8によって出力されたエネルギーを連続的に受け取る。 Therefore, when both of the second switching element S 2 and the third switch element S 3 is turned on during the negative half-cycle, the current output by the DC device 8, the third switching element S 3, a fourth switching element It flows in this order through S 4 , second inductor L 2 , second capacitor C 2 , first inductor L 1 , and second switch element S 2 . Accordingly, the DC power output by the DC device 8 is filtered and converted into AC power, and supplied to the AC load 9. On the other hand, the first inductor L 1 and the second inductor L 2 store energy. When both the second switch element S 2 and the third switch element S 3 are turned off during the negative half cycle, the energy stored in the first inductor L 1 and the second inductor L 2 is turned off. It flows through the fourth switching element S 4 that is a sixth body diode D 6 and on the sixth switching element S 6. Accordingly, the AC load 9 continuously receives the energy output by the DC device 8.
図5Bを参照すると、第4スイッチ素子S4及び第6スイッチ素子S6を配置すると、スイッチ回路41によって出力されたAC変調電圧VTは、正の半サイクルの間に0と正の所定の値Vrの間で変動し、負の半サイクルの間に0と負の所定の値-Vrの間で変動する。従って、スイッチ回路41の実際の動作は、図1のユニポーラースイッチングモード下で動作しているフルブリッジスイッチ回路11の動作に類似している。従って、本発明のDC-ACコンバーター4は、スイッチ回路41の内部スイッチ素子のスイッチング損失を低減し、変換効率を高めることができる。また、第1出力端子AとDC-ACコンバーター内の所定のノードの間の相対電圧と、第2出力端子BとDC-ACコンバーター内の所定のノードの間の相対電圧(例:図4に示す第1出力端子AとノードN(寄生容量Cpに繋がるノード)の間の第1相対電圧VANと、第2出力端子BとノードNの間の第2相対電圧VBN)は、スイッチングの何れの時点においても、その相加平均値(total average)が一定値に維持されるように設定される。従って、寄生容量Cpは、大きな電圧変化を誘起しない。このように、漏れ電流の発生は、抑制され、ユーザー及び装置が受けるリスクが低減されるであろう。 Referring to FIG. 5B, when the fourth switch element S 4 and the sixth switch element S 6 are arranged, the AC modulation voltage V T output by the switch circuit 41 is a positive predetermined value between 0 and a positive half cycle. It fluctuates between values V r and fluctuates between 0 and a negative predetermined value −V r during the negative half cycle. Therefore, the actual operation of the switch circuit 41 is similar to the operation of the full bridge switch circuit 11 operating under the unipolar switching mode of FIG. Therefore, the DC-AC converter 4 of the present invention can reduce the switching loss of the internal switch element of the switch circuit 41 and increase the conversion efficiency. Also, the relative voltage between the first output terminal A and a predetermined node in the DC-AC converter, and the relative voltage between the second output terminal B and a predetermined node in the DC-AC converter (example: FIG. 4). The first relative voltage V AN between the first output terminal A and the node N (the node connected to the parasitic capacitance C p ) and the second relative voltage V BN between the second output terminal B and the node N shown in FIG. At any point in time, the arithmetic average value (total average) is set to be maintained at a constant value. Therefore, the parasitic capacitance C p does not induce a large voltage change. In this way, the occurrence of leakage current will be suppressed and the risk to the user and the device will be reduced.
上記の実施形態では、第1制御信号Vc1、第2制御信号Vc2、第3制御信号Vc3、及び第5制御信号Vc5は、高周波PWM信号であり、第4制御信号Vc4及び第6制御信号Vc6は、低周波PWM信号である。 In the above embodiment, the first control signal V c1 , the second control signal V c2 , the third control signal V c3 , and the fifth control signal V c5 are high-frequency PWM signals, and the fourth control signal V c4 and the second control signal V c4 The 6 control signal V c6 is a low frequency PWM signal.
次に、図4の制御ユニット43の回路を説明する。図6A及び6Bを参照すると、図6Aは、図4の制御ユニットの回路を示し、図6Bは、図6Aの回路内で使用される制御信号の波形図を示す。制御ユニット43は、第1コンパレータ430、第2コンパレータ431、第3コンパレータ432、及びNOTゲート433を含む。第1コンパレータ430の正入力端子は、第1正弦波信号V1を受け取るために使用され、第1コンパレータ430の負入力端子は、接地される。第1コンパレータ430の出力端子は、第6スイッチ素子S6の制御端子に接続され、第6制御信号Vc6を出力する。第2コンパレータ431の正入力端子は、第1正弦波信号V1を受け取るために使用され、第2コンパレータ431の負入力端子は、三角信号VTRIを受け取るために使用される。第2コンパレータ431の出力端子は、第1スイッチ素子S1の制御端子及び第5スイッチ素子S5の制御端子に接続され、第1制御信号Vc1及び第5制御信号Vc5を出力するために使用される。第3コンパレータ432の正入力端子は、第1正弦波信号V1とは位相差が180度である第2正弦波の信号V2を受け取るために使用される。第3コンパレータ432の負入力端子は、三角信号VTRIを受け取るために使用される。第3コンパレータ432の出力端子は、第2スイッチ素子S2の制御端子及び第3スイッチ素子S3の制御端子に接続され、第2制御信号Vc2及び第3制御信号Vc3を出力するために使用される。NOTゲート433の入力端子は、第1コンパレータ430の出力端子に接続され、NOTゲート433の出力端子は、第4スイッチ素子S4の制御端子に接続される。NOTゲート433は、第6制御信号Vc6を反転させ、これによって第4制御信号Vc4を出力するために使用される。 Next, the circuit of the control unit 43 in FIG. 4 will be described. Referring to FIGS. 6A and 6B, FIG. 6A shows a circuit of the control unit of FIG. 4, and FIG. 6B shows a waveform diagram of control signals used in the circuit of FIG. 6A. The control unit 43 includes a first comparator 430, a second comparator 431, a third comparator 432, and a NOT gate 433. Positive input terminal of the first comparator 430 is used to receive the first sine-wave signal V 1, the negative input terminal of the first comparator 430 is grounded. The output terminal of the first comparator 430 is connected to the control terminal of the sixth switch element S 6, and outputs a sixth control signal V c6. Positive input terminal of the second comparator 431 is used to receive the first sine-wave signal V 1, the negative input terminal of the second comparator 431 is used to receive the triangular signal V TRI. The output terminal of the second comparator 431 is connected to the control terminal of the first switch element S 1 and the control terminal of the fifth switch element S 5 to output the first control signal V c1 and the fifth control signal V c5. used. The positive input terminal of the third comparator 432 is used to receive a second sine wave signal V 2 having a phase difference of 180 degrees with respect to the first sine wave signal V 1 . The negative input terminal of the third comparator 432 is used to receive the triangular signal VTRI . The output terminal of the third comparator 432 is connected to the control terminal of the second switch element S 2 and the control terminal of the third switch element S 3 to output the second control signal V c2 and the third control signal V c3. used. Input terminal of the NOT gate 433 is connected to the output terminal of the first comparator 430, the output terminal of the NOT gate 433 is connected to the control terminal of the fourth switching element S 4. The NOT gate 433 is used to invert the sixth control signal V c6 and thereby output the fourth control signal V c4 .
制御ユニット43の回路は、ここで説明したそのままの形に限定されないのはいうまでもない。図7A及び図7Bを参照すると、図7Aは、制御ユニット43の変更後の回路を示し、図7Bは、図7Aの回路内で使用される制御信号の波形図を示す。図7Aでは、制御ユニット43は、第1コンパレータ730、第2コンパレータ731、第3コンパレータ732、NOTゲート733、第1ANDゲート734、第2ANDゲート735、及び整流器736を含む。整流器736は、正弦波信号V3を受け取り、正弦波信号V3を整流して整流された正弦波信号V4にするために使用される。 It goes without saying that the circuit of the control unit 43 is not limited to the exact form described here. Referring to FIGS. 7A and 7B, FIG. 7A shows a circuit after the change of the control unit 43, and FIG. 7B shows a waveform diagram of control signals used in the circuit of FIG. 7A. In FIG. 7A, the control unit 43 includes a first comparator 730, a second comparator 731, a third comparator 732, a NOT gate 733, a first AND gate 734, a second AND gate 735, and a rectifier 736. Rectifier 736 receives the sine wave signal V 3, is used to a sine wave signal V 4 which is rectified by rectifying a sinusoidal signal V 3.
第1コンパレータ730の正入力端子は、整流器736に接続され、整流された正弦波信号V4を受け取るために使用される。第1コンパレータ730の負極は、三角信号VTRIを受け取るために使用される。第1コンパレータ730の出力端子は、第1ANDゲート734の第1入力端子に接続される。第2コンパレータ731の正入力端子は、正弦波信号V3を受け取るために使用される。第2コンパレータ731の負入力端子は、接地される。第2コンパレータ731の出力端子は、第6スイッチ素子S6の制御端子に接続され、第6制御信号Vc6を出力するために使用される。第3コンパレータ732の正入力端子は、整流器736に接続され、整流された正弦波信号V4を受け取るために使用される。第3コンパレータ732の負極は、三角信号VTRIを受け取るために使用される。第3コンパレータ732の出力端子は、第2ANDゲート735の第1入力端子に接続される。 Positive input terminal of the first comparator 730 is connected to the rectifier 736 is used to receive the sine wave signal V 4 which rectified. The negative electrode of the first comparator 730 is used to receive the triangular signal V TRI . The output terminal of the first comparator 730 is connected to the first input terminal of the first AND gate 734. The positive input terminal of the second comparator 731 is used to receive the sine wave signal V 3 . The negative input terminal of the second comparator 731 is grounded. The output terminal of the second comparator 731 is connected to the control terminal of the sixth switch element S 6, it is used to output a sixth control signal V c6. The positive input terminal of the third comparator 732 is connected to the rectifier 736 and is used to receive the rectified sine wave signal V 4 . The negative electrode of the third comparator 732 is used to receive the triangular signal VTRI . The output terminal of the third comparator 732 is connected to the first input terminal of the second AND gate 735.
NOTゲート733の入力端子は、第2コンパレータ731の出力端子に接続され、第6制御信号Vc6を受け取るために使用される。NOTゲート733の出力端子は、第4スイッチ素子S4に接続される。NOTゲート733は、第6制御信号Vc6を反転させ、これによってNOTゲート733の出力端子に第4制御信号Vc4を出力するために使用される。第1ANDゲート734の第2入力端子は、第2コンパレータ731の出力端子に接続され、第6制御信号Vc6を受け取るために使用される。第1ANDゲート734の出力端子は、第1スイッチ素子S1の制御端子及び第5スイッチ素子S5の制御端子に接続され、第1制御信号Vc1及び第5制御信号Vc5を出力するために使用される。第2ANDゲート735の第2入力端子は、NOTゲート733の出力端子に接続され、第4制御信号Vc4を受け取るために使用される。第2ANDゲート735の出力端子は、第2スイッチ素子S2の制御端子及び第3スイッチ素子S3の制御端子に接続され、第2制御信号Vc2及び第3制御信号Vc3を出力するために使用される。 The input terminal of the NOT gate 733 is connected to the output terminal of the second comparator 731 and is used to receive the sixth control signal V c6 . Output terminal of the NOT gate 733 is connected to the fourth switching element S 4. The NOT gate 733 is used to invert the sixth control signal V c6 and thereby output the fourth control signal V c4 to the output terminal of the NOT gate 733. The second input terminal of the first AND gate 734 is connected to the output terminal of the second comparator 731 and is used to receive the sixth control signal V c6 . The output terminal of the 1AND gate 734 is connected to the control terminal of the first switching element S 1 and the control terminal of the fifth switch element S 5, to output a first control signal V c1 and the fifth control signal V c5 used. The second input terminal of the second AND gate 735 is connected to the output terminal of the NOT gate 733 and is used to receive the fourth control signal V c4 . The output terminal of the second AND gate 735 is connected to the control terminal of the second switch element S 2 and the control terminal of the third switch element S 3 to output the second control signal V c2 and the third control signal V c3. used.
まとめると、本発明のDC-ACコンバーターは、第4スイッチ素子及び第6スイッチ素子を配置することによって、搭載されたスイッチ回路の内部スイッチ素子のスイッチング損失を低減するように構成されている。従って、DC-ACコンバーターの変換効率が向上する。また、DCデバイスが寄生容量を横切る大きな電圧変化を誘起しない。従って、漏れ電流を抑制することができ、ユーザー及び装置が受けるリスクを低減することができる。 In summary, the DC-AC converter of the present invention is configured to reduce the switching loss of the internal switch elements of the mounted switch circuit by arranging the fourth switch element and the sixth switch element. Therefore, the conversion efficiency of the DC-AC converter is improved. Also, DC devices do not induce large voltage changes across the parasitic capacitance. Therefore, the leakage current can be suppressed, and the risk to the user and the device can be reduced.
最も実用的で好ましい実施形態であると現在は考えているものについて本発明の説明を行ったが、本発明は、開示された実施形態に限定される必要がないことが理解されるべきである。逆に、本発明は、添付の請求項の精神と範囲内に含まれる種々の修正及び類似の構成を含むことが意図される。添付の請求項は、全てのこのような修正及び類似構造を包含するように最も広い解釈が与えられる。従って、上記説明及び例示は、添付の請求項によって定義される発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。 Although the present invention has been described with respect to what is presently considered to be the most practical and preferred embodiments, it should be understood that the invention need not be limited to the disclosed embodiments. . On the contrary, the invention is intended to cover various modifications and similar arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. The appended claims are accorded the broadest interpretation so as to encompass all such modifications and similar structures. Therefore, the above description and illustrations should not be taken as limiting the scope of the invention which is defined by the appended claims.
Claims (14)
互いに直列に接続された第1スイッチ素子及び第2スイッチ素子を含む第1スイッチブランチと、
第1スイッチブランチと並列に接続され、且つ互いに直列に接続された第3スイッチ素子、第4スイッチ素子、及び第5スイッチ素子を含む第2スイッチブランチと、
一端が第3スイッチ素子と第4スイッチ素子の間に接続され、他端が第1スイッチ素子と第2スイッチ素子の間に接続され且つ第1出力端子に接続された第6スイッチ素子とを備え、
第1スイッチ素子及び第2スイッチ素子は、第1出力端子に接続され、第4スイッチ素子及び第5スイッチ素子は、第2出力端子に接続され
第1スイッチ素子及び第5スイッチ素子は、同時かつ連続的にオン・オフされ、第6スイッチ素子は、正の半サイクルの間にオンになり、第2スイッチ素子及び第3スイッチ素子は、同時かつ連続的にオン・オフされ、第4スイッチ素子は、負の半サイクルの間にオンになる、DC-ACコンバーター。 The switch circuit is configured to receive DC power, convert the DC power into an AC modulation voltage, and output the DC power between the first output terminal and the second output terminal.
A first switch branch including a first switch element and a second switch element connected in series with each other;
A second switch branch including a third switch element, a fourth switch element, and a fifth switch element connected in parallel with the first switch branch and connected in series with each other;
A sixth switch element having one end connected between the third switch element and the fourth switch element and the other end connected between the first switch element and the second switch element and connected to the first output terminal; ,
The first switch element and the second switch element are connected to the first output terminal, the fourth switch element and the fifth switch element are connected to the second output terminal, and the first switch element and the fifth switch element are simultaneously and The sixth switch element is turned on / off continuously, and the sixth switch element is turned on during the positive half cycle. The second switch element and the third switch element are turned on / off simultaneously and continuously, and the fourth switch element is turned on / off. Is a DC-AC converter that turns on during the negative half cycle.
第1正弦波信号を受け取る正入力端子及び接地端子に接続された負入力端子、及び第6スイッチ素子の制御端子に接続された出力端子を有する第1コンパレータと、
第1正弦波信号を受け取る正入力端子及び三角信号を受け取る負入力端子、及び第1スイッチ素子の制御端子及び第5スイッチ素子の制御端子に接続された出力端子を有する第2コンパレータと、
第2正弦波信号を受け取る正入力端子及び三角信号を受け取る負入力端子、及び第2スイッチ素子の制御端子及び第3スイッチ素子の制御端子に接続された出力端子を有する第3コンパレータと、
第1コンパレータの出力端子に接続された入力端子及び第4スイッチ素子の制御端子に接続された出力端子を有するNOTゲートとを備える、DC-ACコンバーター。 4. The DC-AC converter according to claim 3, wherein the control unit is
A first comparator having a positive input terminal for receiving the first sine wave signal, a negative input terminal connected to the ground terminal, and an output terminal connected to the control terminal of the sixth switch element;
A second comparator having a positive input terminal for receiving the first sine wave signal, a negative input terminal for receiving the triangular signal, and an output terminal connected to the control terminal of the first switch element and the control terminal of the fifth switch element;
A third comparator having a positive input terminal for receiving the second sine wave signal, a negative input terminal for receiving the triangular signal, and an output terminal connected to the control terminal of the second switch element and the control terminal of the third switch element;
A DC-AC converter comprising a NOT gate having an input terminal connected to the output terminal of the first comparator and an output terminal connected to the control terminal of the fourth switch element.
正弦波信号を受け取り、この正弦波信号を整流して整流された正弦波信号にする整流器と、
前記整流器に接続された正入力端子及び三角信号を受け取る負入力端子を有する第1コンパレータと、
前記正弦波信号を受け取る正入力端子及び接地端子に接続された負入力端子、及び第6スイッチ素子の制御端子に接続された出力端子を有する第2コンパレータと、
前記整流器に接続された正入力端子及び三角信号を受け取る負入力端子を有する第3コンパレータと、
第2コンパレータの出力端子に接続された入力端子及び第4スイッチ素子の制御端子に接続された出力端子を有するNOTゲートと、
第1コンパレータの出力端子に接続された第1入力端子及び第2コンパレータの出力端子に接続された第2入力端子、及び第1スイッチ素子の制御端子及び第5スイッチ素子の制御端子に接続された出力端子を有する第1ANDゲートと、
NOTゲートの出力端子に接続された第1入力端子及び第3コンパレータの出力端子に接続された第2入力端子、及び第2スイッチ素子の制御端子及び第3スイッチ素子の制御端子に接続された出力端子を有する第2ANDゲートとを備える、DC-ACコンバーター。 4. The DC-AC converter according to claim 3, wherein the control unit is
A rectifier that receives a sine wave signal and rectifies the sine wave signal into a rectified sine wave signal;
A first comparator having a positive input terminal connected to the rectifier and a negative input terminal for receiving a triangular signal;
A second comparator having a positive input terminal for receiving the sine wave signal, a negative input terminal connected to the ground terminal, and an output terminal connected to the control terminal of the sixth switch element;
A third comparator having a positive input terminal connected to the rectifier and a negative input terminal for receiving a triangular signal;
A NOT gate having an input terminal connected to the output terminal of the second comparator and an output terminal connected to the control terminal of the fourth switch element;
The first input terminal connected to the output terminal of the first comparator, the second input terminal connected to the output terminal of the second comparator, and the control terminal of the first switch element and the control terminal of the fifth switch element A first AND gate having an output terminal;
A first input terminal connected to the output terminal of the NOT gate, a second input terminal connected to the output terminal of the third comparator, and an output connected to the control terminal of the second switch element and the control terminal of the third switch element A DC-AC converter comprising a second AND gate having a terminal.
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